CN107036534A - 基于激光散斑测量振动目标位移的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开的一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法及***，涉及震动物体的位移测量技术，能够精确测量震动物体的位移。来自成像组件和来自反射镜的光能量在光电探测组件的CCD感光面上均分布呈多个斑并发生干涉，被测物体在振动过程中发生位移，对散斑图像进行运算，获得被测物体的振动信息，对干涉图像进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，再将两组信息进行组合计算获得被测物体的位移信息，主要用于测量振动目标位移。

Description

基于激光散斑测量振动目标位移的方法及***

技术领域

本发明涉及震动物体的位移测量技术领域，尤其涉及一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法及***。

背景技术

当激光照射到非均匀介质上时,漫反射光在介质周围空间发生干涉，在空间产生强光点和弱光点，如果用屏幕来接收这些光点，则在屏幕上形成强度不一的光斑，这些光斑称为激光散斑。激光散斑携带了物体的表面信息，包括位置、形状等信息，通过分析激光散斑场可以获得被测物体的上述信息及其变化信息。利用激光散斑测量物体的信息具有非接触测量、全场测量、测量光路简单的优点。

当前基于激光散斑测量物***置或形变信息的技术有利用激光散斑测量物体的微小位移、利用激光散斑测量物体的微小形变、利用激光散斑测量物体的微震动等，且现有方法只能测量1m距离范围内的物体，物体运动范围要求在微米量级，且对环境稳定性要求比较高，这就限制了这类测量方法的应用范围。在某些环境条件如振动、远距离等特殊条件下测量物体的位置或表面信息，当前的方法就难以完成测量工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法及***，能够测量震动物体的位移时允许物体震动幅度在毫米量级，允许物体的位移在厘米量级。

本发明的技术解决方案：

一方面，一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法，包括以下过程：激光器，透射镜，反射镜，反射镜，被测物体，物平面，成像组件，光电探测组件，计算机及分析软件；

步骤一、所述激光器用于输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

步骤二、所述透射镜按照透射率比例将入射光的一部分光能沿原方向透射过去，照射到被测物体上，按照反射率比例将另一部分光能量反射到另一个方向上，入射到所述反射镜，所述反射镜是平面高反射率反射镜，所述被测物体为伴随振动发生位移的物体，所述透射镜为平面透镜；

步骤三、所述反射镜的反射光入射到反射镜，经反射镜反射后，反射光入射到所述光电探测单元中的光电探测组件，所述反射镜为平面高反射率反射镜；

步骤四、来自所述被测物体上的激光散斑在所述物平面上形成特定的光强分布，所述物平面是与所述被测物体之间任意距离的平面；

步骤五、所述成像组件将所述物平面上的激光散斑成像到所述光电探测组件上，所述成像组件为远焦成像组件；

步骤六、所述光电探测组件将所述成像组件成的像和来自所述反射镜的图像转换为电子图像并输出给所述计算机，所述光电探测组件具备高分辨率和高速传输电子图像的功能，所述光电探测组件接收到的光能包括来自上述成像组件和上述反射镜的光能，来自所述成像组件和所述反射镜的光能仍具有相干性，来自所述成像组件的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自所述反射镜的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自所述成像组件和所述反射镜的光能在所述光电探测组件的CCD感光面上发生干涉，所述计算机为具备高速计算和高速存储功能的成套硬件设备；

步骤七、当所述被测物体在振动过程中发生位移，所述计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

算法F1和F2用于分析来自CCD的数字图像，CCD所成图像包含参考图像P0和散斑图像P1两部分，其中，来自所述反射镜的光的像P0在图像中保持固定位置，来自所述被测物体的激光散斑的像P1随着所述被测物体的变化而变化，来自所述反射镜的光和来自所述被测物体的激光散斑发生干涉形成干涉图像P2，所述分析软件采用本发明的算法F1和F2分别对图像P1和P2进行运算，

另一方面，一种基于激光散斑测量振动目标位移的***，包括激光器、光束调整单元、光电探测单元和数据分析处理单元；

其中，所述激光器用于输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

所述光束调整单元包括：平面反射镜和平面透射镜，所述平面透射镜的透射率和反射率为一定值，用于将所述“激光器”输出的单色光按透射率和反射率的比例分成两束光，其中一束光透射到被测物体表面，另外一束光反射到上述平面反射镜上，所述平面反射镜为平面反射镜，该平面反射镜具有高反射率，可以将绝大部分入射光反射，用于将来自所述透射镜的一束光反射到所述光电探测单元；

所述光电探测单元包括：成像组件和光电探测组件，所述成像组件为焦距可调的远焦成像组件，用于将指定的位置处的平面上的激光散斑图像聚焦成像到光电探测组件的物平面上，所述光电探测组件包括光学镜头和光电耦合器件，该光学镜头将物平面上的像成像到CCD感光面上，同时光学镜头将来自上述反射镜的光成像到CCD感光面上，CCD所成图像包含两部分，一部分是来自所述反射镜的光的像，另一部分是来自所述被测物体的激光散斑的像，其中来自所述反射镜的光的像在图像中保持固定位置，来自所述被测物体的激光散斑的像随着所述被测物体的变化而变化；

所述数据分析处理单元用于当所述被测物体在振动过程中发生位移，所述计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

本发明实施例提供的一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法及***，来自成像组件和反射镜的光能仍具有相干性，来自成像组件的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自反射镜的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自成像组件和反射镜的光能在光电探测组件的CCD感光面上发生干涉；当被测物体在振动过程中发生位移，计算机对来自CCD的散斑图像进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于激光散斑测量振动目标位移的***结构示意图；

图2为本发明实施例中一种基于激光散斑测量振动目标位移的***原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明实施例提供一种基于激光散斑测量振动目标位移的***，如图1所示，包括激光器1、光束调整单元2、光电探测单元3和数据分析处理单元4；

其中，激光器1用于输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

光束调整单元2包括：平面透射镜21、平面反射镜22和平面反射镜23，平面透射镜21的透射率和反射率为一定值，用于将激光器1输出的单色光按透射率和反射率的比例分成两束光，其中一束光透射到被测物体表面，另外一束光反射到上述平面反射镜上，平面反射镜23为平面反射镜，该平面反射镜具有高反射率，可以将绝大部分入射光反射，用于将来自透射镜的一束光反射到光电探测单元3中的光电探测组件32，被测物体3为伴随振动发生位移的物体；

光电探测单元3包括：被测物体3，物平面4，成像组件5和光电探测组件6；成像组件5为焦距可调的远焦成像组件，用于将指定的位置处的平面上的激光散斑图像聚焦成像到光电探测组件6的物平面上，光电探测组件6(包括光学镜头和CCD)包括光学镜头和光电耦合器件，该光学镜头将物平面上的像成像到CCD感光面上，同时光学镜头将来自上述反射镜的光成像到CCD感光面上，CCD所成图像包含两部分，一部分是来自反射镜的光的像，另一部分是来自被测物体的激光散斑的像，其中来自反射镜的光的像在图像中保持固定位置，来自被测物体的激光散斑的像随着被测物体的变化而变化，指定物平面4为距离被测物体3为任意值的平面，来自被测物体3上的激光散斑在物平面4上形成特定的光强分布；

具体的，光电探测组件6与计算机7连接，光电探测组件6将成像组件5成的像和来自反射镜23的图像转换为电子图像并输出到计算机7，光电探测组件6具备高分辨率和高速传输电子图像的功能；

数据分析处理单元4包括计算机7及其上运行的软件，用于当被测物体在振动过程中发生位移，计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

上述光电探测组件6接收到的光能包括来自上述成像组件5和上述反射镜23的光能，来自上述成像组件5和上述反射镜23的光能仍具有相干性，来自上述成像组件5的光能量在上述光电探测组件6的CCD感光面上分布呈多个斑，来自上述反射镜23的光能量在上述光电探测组件6的CCD感光面上分布呈一个斑，来自上述成像组件5和上述反射镜23的光能在上述光电探测组件6的CCD感光面上发生干涉。

具体的，计算机7与光电探测组件6连接，计算机7为具备高速计算和高速存储功能的成套硬件设备。

具体的，分析软件运行在计算机7上，分析软件基于特定的数学算法F₁和F₂用于分析来自CCD的数字图像，CCD所成图像包含两部分，一部分是来自反射镜的光的像，用P₀表示，称为参考图像，另一部分是来自被测物体的激光散斑的像，用P₁表示，称为散斑图像，其中来自反射镜的光的像P₀在图像中保持固定位置，来自被测物体的激光散斑的像P₁随着被测物体的变化而变化，来自反射镜的光和来自被测物体的激光散斑将会发生干涉形成干涉图像，用P₂表示，即P₀和P₁将会发生干涉形成干涉图像P₂，分析软件采用本发明的算法F₁和F₂分别对图像P₁和P₂进行运算，当被测物体在振动过程中发生位移，用算法F₁对图像P₁进行运算，获得被测物体的振动信息，用算法F₂对图像P₂进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得被测物体的位移信息。

本发明实施例提供的一种基于激光散斑测量振动目标位移的***，来自成像组件和反射镜的光能仍具有相干性，来自成像组件的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自反射镜的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自成像组件和反射镜的光能在光电探测组件的CCD感光面上发生干涉；当被测物体在振动过程中发生位移，计算机对来自CCD的散斑图像进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

本发明实施例还提供了一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法，该方法由前述基于激光散斑测量振动目标位移的***实现，具体包括以下过程：

步骤一、所述激光器输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

步骤二、所述透射镜按照透射率比例将入射光的一部分光能沿原方向透射过去，照射到被测物体上，按照反射率比例将另一部分光能量反射到另一个方向上，入射到所述反射镜，所述反射镜是平面高反射率反射镜，所述被测物体为伴随振动发生位移的物体，所述透射镜为平面透镜；

步骤三、所述反射镜的反射光入射到反射镜，经反射镜反射后，反射光入射到所述光电探测单元中的光电探测组件，所述反射镜为平面高反射率反射镜；

步骤四、来自所述被测物体上的激光散斑在所述物平面上形成特定的光强分布，所述物平面是与所述被测物体之间任意距离的平面；

步骤五、所述成像组件将所述物平面上的激光散斑成像到所述光电探测组件上，所述成像组件为远焦成像组件；

步骤六、所述光电探测组件将所述成像组件成的像和来自所述反射镜的图像转换为电子图像并输出给所述计算机，所述光电探测组件具备高分辨率和高速传输电子图像的功能，所述光电探测组件接收到的光能包括来自上述成像组件和上述反射镜的光能，来自所述成像组件和所述反射镜的光能仍具有相干性，来自所述成像组件的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自所述反射镜的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自所述成像组件和所述反射镜的光能在所述光电探测组件的CCD感光面上发生干涉，所述计算机为具备高速计算和高速存储功能的成套硬件设备；

步骤七、当所述被测物体在振动过程中发生位移，所述计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

具体的，分析软件运行在计算机7上，分析软件基于特定的数学算法F₁和F₂用于分析来自CCD的数字图像，CCD所成图像包含两部分，一部分是来自反射镜的光的像，用P₀表示，称为参考图像，另一部分是来自被测物体的激光散斑的像，用P₁表示，称为散斑图像，其中来自反射镜的光的像P₀在图像中保持固定位置，来自被测物体的激光散斑的像P₁随着被测物体的变化而变化，来自反射镜的光和来自被测物体的激光散斑将会发生干涉形成干涉图像，用P₂表示，即P₀和P₁将会发生干涉形成干涉图像P₂，分析软件采用本发明的算法F₁和F₂分别对图像P₁和P₂进行运算，当被测物体在振动过程中发生位移，用算法F₁对图像P₁进行运算，获得被测物体的振动信息，用算法F₂对图像P₂进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得被测物体的位移信息。

本发明实施例提供的一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法，来自成像组件和反射镜的光能仍具有相干性，来自成像组件的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自反射镜的光能量在光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自成像组件和反射镜的光能在光电探测组件的CCD感光面上发生干涉；当被测物体在振动过程中发生位移，计算机对来自CCD的散斑图像进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种基于激光散斑测量振动目标位移的***，其特征在于，包括激光器、光束调整单元、光电探测单元和数据分析处理单元；

其中，所述激光器用于输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

所述光束调整单元包括：平面反射镜和平面透射镜，所述平面透射镜的透射率和反射率为一定值，用于将所述激光器输出的单色光按透射率和反射率的比例分成两束光，其中一束光透射到被测物体表面，另外一束光反射到上述平面反射镜上，所述平面反射镜为平面反射镜，该平面反射镜具有高反射率，可以将绝大部分入射光反射，用于将来自所述透射镜的一束光反射到所述光电探测单元；

所述光电探测单元包括：成像组件和光电探测组件，所述成像组件为焦距可调的远焦成像组件，用于将指定的位置处的平面上的激光散斑图像聚焦成像到光电探测组件的物平面上，所述光电探测组件包括光学镜头和光电耦合器件，该光学镜头将物平面上的像成像到CCD感光面上，同时光学镜头将来自上述反射镜的光成像到CCD感光面上，CCD所成图像包含两部分，一部分是来自所述反射镜的光的像，另一部分是来自所述被测物体的激光散斑的像，其中来自所述反射镜的光的像在图像中保持固定位置，来自所述被测物体的激光散斑的像随着所述被测物体的变化而变化；

所述数据分析处理单元用于当所述被测物体在振动过程中发生位移，所述计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。

2.一种基于激光散斑测量振动目标位移的方法，其特征在于，由权利要求1所述***实现，包括以下过程：

步骤一、所述激光器输出波长范围在380nm～760nm之间的单色光；

步骤二、所述透射镜按照透射率比例将入射光的一部分光能沿原方向透射过去，照射到被测物体上，按照反射率比例将另一部分光能量反射到另一个方向上，入射到所述反射镜，所述反射镜是平面高反射率反射镜，所述被测物体为伴随振动发生位移的物体，所述透射镜为平面透镜；

步骤三、所述反射镜的反射光入射到反射镜，经反射镜反射后，反射光入射到所述光电探测单元中的光电探测组件，所述反射镜为平面高反射率反射镜；

步骤四、来自所述被测物体上的激光散斑在所述物平面上形成特定的光强分布，所述物平面是与所述被测物体之间任意距离的平面；

步骤五、所述成像组件将所述物平面上的激光散斑成像到所述光电探测组件上，所述成像组件为远焦成像组件；

步骤六、所述光电探测组件将所述成像组件成的像和来自所述反射镜的图像转换为电子图像并输出给所述计算机，所述光电探测组件具备高分辨率和高速传输电子图像的功能，所述光电探测组件接收到的光能包括来自上述成像组件和上述反射镜的光能，来自所述成像组件和所述反射镜的光能仍具有相干性，来自所述成像组件的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈多个斑，来自所述反射镜的光能量在所述光电探测组件的CCD感光面上分布呈一个斑，来自所述成像组件和所述反射镜的光能在所述光电探测组件的CCD感光面上发生干涉，所述计算机为具备高速计算和高速存储功能的成套硬件设备；

步骤七、当所述被测物体在振动过程中发生位移，所述计算机对来自CCD的散斑图像P1进行运算，获得被测物体的振动信息，对来自CCD的干涉图像P2进行运算，获得被测物体的振动和位移的总体信息，最后再将两组信息进行组合计算获得所述被测物体的位移信息。